Mitä on kvanttilaskenta? Laskennallisen evoluution seuraava aikakausi, selitetty

Kun törmäät ensimmäistä kertaa termiin "kvanttitietokone", saatat pitää sen jonkinlaisena kauaskantoisena science fiction-konseptina vakavana ajankohtaisena uutisena.

Mutta kun tätä lausetta levitetään yhä useammin, on ymmärrettävää pohtia tarkalleen, mitä kvanttitietokoneet ovat, ja yhtä ymmärrettävää, että on epäselvä, mihin sukeltaa. Tässä on yhteenveto siitä, mitä kvanttitietokoneet ovat, miksi niiden ympärillä on niin paljon vilinää ja mitä ne voivat tarkoittaa sinulle.

Mitä kvanttilaskenta on ja miten se toimii?

Kaikki laskenta perustuu bitteihin, pienimpään tietoyksikköön, joka on koodattu "päällä"- tai "pois"-tilaksi, jota kutsutaan yleisemmin 1:ksi tai 0:ksi, jossain fyysisessä tai muussa välineessä.

Suurimman osan ajasta bitti ottaa fyysisen muodon sähköisenä signaalina, joka kulkee tietokoneen emolevyn piirien yli. Yhdistämällä useita bittejä yhteen voimme esittää monimutkaisempia ja hyödyllisempiä asioita, kuten tekstiä, musiikkia ja paljon muuta.

Kaksi keskeistä eroa kvanttibittien ja "klassisten" bittien välillä (nykyisin käyttämistämme tietokoneista) ovat bittien fyysinen muoto ja vastaavasti niihin koodatun tiedon luonne. Klassisen tietokoneen sähköbitit voivat olla vain yhdessä tilassa kerrallaan, joko 1 tai 0.

Kvanttibitit (tai "kubitit") on tehty subatomisista hiukkasista, nimittäin yksittäisiä fotoneja tai elektroneja. Koska nämä subatomiset hiukkaset noudattavat enemmän kvanttimekaniikan sääntöjä kuin klassista mekaniikkaa, niillä on kvanttihiukkasten outoja ominaisuuksia. Tietojenkäsittelytieteilijöille merkittävin näistä ominaisuuksista on superpositio. Tämä on ajatus siitä, että hiukkanen voi esiintyä useissa tiloissa samanaikaisesti, ainakin siihen asti, kunnes tila mitataan ja romahtaa yhdeksi tilaan. Tietojenkäsittelytieteilijät voivat hyödyntää tätä superpositioominaisuutta saa qubitit koodaamaan 1:n ja 0:n samanaikaisesti.

Toinen kvanttimekaaninen omituisuus, joka saa kvanttitietokoneet tikittää, on takertuminen, kahden kvanttihiukkasen tai tässä tapauksessa kahden kubitin yhdistäminen. Kun kaksi hiukkasta kietoutuvat, yhden hiukkasen tilan muutos muuttaa sen kumppanin tilaa ennustettava tapa, joka on hyödyllinen, kun on aika saada kvanttitietokone laskemaan vastaus ongelmaan sinä ruokit sitä.

Kvanttitietokoneen kubitit alkavat 1- ja 0-hybriditilassaan, kun tietokone alkaa aluksi murskata ongelman läpi. Kun ratkaisu löytyy, superpositiossa olevat kubitit romahtavat vakaan 1:n ja 0:n oikeaan orientaatioon ratkaisun palauttamiseksi.

Mitä hyötyä kvanttilaskennasta on?

Sen lisäksi, että ne ovat kaukana kaikkien muiden paitsi eliittiisimpien tutkimusryhmien ulottuvilta (ja todennäköisesti pysyvät sellaisina jonkin aikaa), useimmilla meistä ei ole paljon käyttöä kvanttitietokoneille. Ne eivät tarjoa todellista etua klassisiin tietokoneisiin verrattuna sellaisiin tehtäviin, joita teemme suurimman osan ajasta.

Kuitenkin jopa kaikkein peloimpien klassisten supertietokoneiden on vaikea ratkaista tiettyjä ongelmia niiden luontaisen laskennallisen monimutkaisuuden vuoksi. Tämä johtuu siitä, että jotkin laskelmat voidaan tehdä vain raa'alla voimalla, arvaamalla, kunnes vastaus löytyy. Ne päätyvät niin moniin mahdollisiin ratkaisuihin, että kestäisi tuhansia vuosia, ennen kuin kaikki maailman supertietokoneet yhdessä löytävät oikean.

Kubittien superpositio-ominaisuus voi antaa supertietokoneille mahdollisuuden lyhentää tätä arvausaikaa jyrkästi. Klassisen laskennan työläs yritys ja erehdys -laskelmat voivat tehdä vain yhden arvauksen kerrallaan, kun taas kvanttitietokoneen kubittien kaksoistila 1 ja 0 antaa sen tehdä useita arvauksia samanaikaisesti aika.

Millaiset ongelmat siis vaativat kaiken tämän aikaa vievän arvailulaskelman? Yksi esimerkki on atomirakenteiden simulointi, varsinkin kun ne ovat vuorovaikutuksessa kemiallisesti muiden atomien kanssa. Kvanttitietokoneella, joka toimii atomimallinnuksessa, materiaalitieteen tutkijat voivat luoda uusia yhdisteitä käytettäväksi suunnittelussa ja valmistuksessa. Kvanttitietokoneet sopivat hyvin samanlaisten monimutkaisten järjestelmien, kuten taloudellisten markkinavoimien, astrofysikaalisen dynamiikan tai organismien geneettisten mutaatiomallien simulointiin, vain muutamia mainitakseni.

Kaikkien näiden yleisesti ottaen loukkaamattomien tämän nousevan teknologian sovellusten keskellä on kuitenkin myös joitain kvanttitietokoneiden käyttötapoja, jotka herättävät vakavia huolenaiheita. Ylivoimaisesti yleisimmin mainittu haitta on kvanttitietokoneiden mahdollisuus rikkoa joitain vahvimmista tällä hetkellä käytössä olevista salausalgoritmeista.

Aggressiivisen vieraan hallituksen vihollisen käsissä kvanttitietokoneet voivat vaarantaa laajan osan muutoin turvallisesta Internet-liikenteestä, jolloin arkaluonteinen viestintä on alttiina laajalle leviämiselle valvontaa. Parhaillaan tehdään töitä salaussalausten kehittämiseksi edelleen vaikeiden laskelmien perusteella jopa kvanttitietokoneille, mutta ne eivät kaikki ole valmiita parhaaseen katseluaikaan tai laajalti käytössä tällä hetkellä.

Onko kvanttilaskenta edes mahdollista?

Hieman yli kymmenen vuotta sitten varsinainen kvanttitietokoneiden valmistus oli tuskin alkuvaiheessaan. 2010-luvulta lähtien toimivien kvanttitietokoneiden prototyyppien kehitys lähti kuitenkin käyntiin. Useat yritykset ovat koonneet toimivia kvanttitietokoneita muutama vuosi sitten, ja IBM on mennyt niin pitkälle, että tutkijat ja harrastajat ajaa siinä omia ohjelmiaan pilven kautta.

Huolimatta edistysaskeleista, joita IBM: n kaltaiset yritykset ovat epäilemättä saavuttaneet toimivien prototyyppien rakentamiseksi, kvanttitietokoneet ovat vielä lapsenkengissään. Tällä hetkellä tutkimusryhmien tähän mennessä rakentamat kvanttitietokoneet vaativat paljon yleiskustannuksia virheenkorjauksen suorittamiseen. Jokaista kubittia, joka todella suorittaa laskennan, on useita kymmeniä, joiden tehtävänä on kompensoida virhe. Kaikkien näiden kubittien kokonaisuus muodostaa niin sanotun "loogisen kubitin".

Lyhyesti sanottuna teollisuus ja akateemiset titaanit ovat saaneet kvanttitietokoneet toimimaan, mutta he tekevät sen erittäin tehottomasti.

Kenellä on kvanttitietokone?

Kova kilpailu kvanttitietokoneiden tutkijoiden välillä raivoaa edelleen, niin suurten kuin pientenkin toimijoiden välillä. Toimivia kvanttitietokoneita käyttävien joukossa on perinteisesti hallitsevia teknologiayrityksiä, joita voisi odottaa: IBM, Intel, Microsoft ja Google.

Niin vaativa ja kallis hanke kuin kvanttitietokoneen luominen onkin, haasteeseen vastaa yllättävän paljon pienempiä yrityksiä ja jopa startup-yrityksiä.

Suhteellisen laiha D-Wave Systems on edistänyt monia edistysaskeleita alalla ja osoitti, ettei se ollut kiistanalainen vastaamalla Googlen tärkeään ilmoitukseen uutisella a valtava sopimus Los Alamos National Labsin kanssa. Silti myös pienemmät kilpailijat, kuten Rigetti Computing, ovat mukana vakiinnuttuaan kvanttilaskennan innovaattoreina.

Riippuen keneltä kysyt, saat erilaisen edelläkävijän "tehokkaimmalle" kvanttitietokoneelle. Google todellakin teki kantansa äskettäin sen kanssa kvanttiylivallan saavuttaminen, mittari, jonka Google on enemmän tai vähemmän suunnitellut. Kvanttiylivoima on piste, jossa kvanttitietokone pystyy ensimmäisenä ylittämään klassisen tietokoneen jossain laskennassa. Googlen Sycamore-prototyyppi 54 kubitilla varustettu pystyi rikkomaan tämän esteen vetämällä läpi ongelman hieman alle kolme ja puoli minuuttia, jolloin mahtavimman klassisen supertietokoneen vaihtuminen kestäisi 10 000 vuotta kautta.

D-Wave ylpeilee, että sen pian Los Alamosille toimittamat laitteet painavat 5000 kubittia kappaleelta, vaikka on syytä huomata, että D-Waven kubittien laatu on kyseenalaistettu aiemmin. IBM ei ole tehnyt samanlaista loistoa kuin Google ja D-Wave viimeisten parin vuoden aikana, mutta niitäkään ei kannata vielä laskea pois, varsinkin kun otetaan huomioon heidän jälkensä. ennätys hitaista ja tasaisista saavutuksista.

Yksinkertaisesti sanottuna kilpailu maailman tehokkaimmasta kvanttitietokoneesta on yhtä auki kuin koskaan.

Korvaako kvanttilaskenta perinteisen tietojenkäsittelyn?

Lyhyt vastaus tähän on "ei oikeastaan", ainakaan lähitulevaisuudessa. Kvanttitietokoneet vaativat valtavan määrän laitteita ja hienosäädettyjä ympäristöjä toimiakseen. Johtava arkkitehtuuri vaatii jäähdytystä vain absoluuttisen nollan yläpuolelle, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole läheskään käytännöllisiä tavallisille kuluttajille.

Mutta kuten pilvipalvelun räjähdysmäinen kasvu on osoittanut, sinun ei tarvitse omistaa erikoistunutta tietokonetta hyödyntääksesi sen ominaisuuksia. Kuten edellä mainittiin, IBM tarjoaa jo rohkeille teknofiileille mahdollisuuden ajaa ohjelmia pienessä osajoukossa. Q System One: n kubitit. Ajan myötä IBM ja sen kilpailijat todennäköisesti myyvät laskenta-aikaa vanhemmissa kvanttitietokoneissa niille, jotka ovat kiinnostuneita soveltamaan niitä muuten käsittämättömiin ongelmiin.

Mutta jos et tutki sellaisia ​​poikkeuksellisen hankalia ongelmia, joita kvanttitietokoneet pyrkivät ratkaisemaan, et todennäköisesti ole vuorovaikutuksessa niiden kanssa. Itse asiassa kvanttitietokoneet ovat joissain tapauksissa huonompia sellaisissa tehtävissä, joihin käytämme tietokoneita joka päivä, puhtaasti siksi, että kvanttitietokoneet ovat niin hypererikoistuneita. Ellet ole akateeminen, joka johtaa sellaista mallintamista, jossa kvanttilaskenta kukoistaa, et todennäköisesti koskaan saa sellaista käsiisi etkä tarvitsekaan.

Toimittajien suositukset

• Mikä on GDDR7? Kaikki mitä sinun tulee tietää seuraavan sukupolven VRAM-muistista
• Intel uskoo, että seuraava suorittimesi tarvitsee tekoälyprosessorin – tässä syy
• Surface Pro 10: tässä on mitä odottaa seuraavalta sukupolvelta
• ChatGPT on juuri kytkenyt itsensä Internetiin. Mitä tapahtuu seuraavaksi?
• Onko Applen Mac Mini M2 hyvä? Tässä on mitä arvostelut sanovat